ОСОБЕННОСТИ  ЛЕГИРОВАНИЯ  МОНОКРИСТАЛЛОВ  SRWO₄  ИОНАМИ  ND³⁺

Исаев  Владислав  Андреевич

д-р  физ.-мат.  наук,  профессор  кафедры  физики  и  инф.  систем  КубГУ,  г.  Краснодар

Игнатьев  Борис  Владимирович

канд.  физ.-мат.  наук,  доцент  кафедры  физики  и  инф.  систем  КубГУ,  г.  Краснодар

Лебедев  Андрей  Валерьевич

инженер  кафедры  физики  и  инф.  систем  КубГУ,  г.  Краснодар

Плаутский  Павел  Геннадьевич

инженер  кафедры  физики  и  инф.  систем  КубГУ,  г.  Краснодар

E-mail:  avlbdv@gmail.com

Кристаллы  вольфрамата  стронция,  легированные  Nd³⁺,  представляют  интерес  в  качестве  активных  сред  ВКР-лазеров  —  многофункциональных  устройств,  осуществляющих  лазерную  генерацию  и  ВКР-преобразование  внутри  одной  активной  среды  [5].  Важной  задачей  на  пути  создания  совершенного  оптического  материала  встает  поиск  возможностей  достижения  оптимальных  спектроскопических  параметров  и  оптико-физических  свойств  среды.  Основной  проблемой  при  легировании  вольфрамата  стронция  неодимом  является  несоответствие  зарядового  состояния,  а  так  же  ионного  радиуса  Nd³⁺,  замещающего  Sr²⁺.  Наилучшие  на  сегодня  результаты  достигаются  при  солегировании  кристаллов  SrWO₄:  Nd³⁺  ионами  Nb⁵⁺,  компенсирующими  заряд  [4].  При  этом  происходит  образование  твердого  раствора  по  схеме:

(1-x)SrWO₄  +  xNdNbO₄  →  (Sr_(1-x)Nd_x)[W_(1-x)Nb_x]O₄,

что  позволяет  достичь  наиболее  близкого  к  единице  (—0.8)  эффективного  коэффициента  распределения  неодима.  Настоящая  работа  посвящена  исследованию  особенностей  распределения  активатора  в  объеме  кристалла  при  замене  ионов  Nb⁵⁺  ионами  Ta⁵⁺,  а  так  же  изучению  влияния  концентрации  активатора  и  сорта  соактиваторной  примеси  на  спектроскопические  характеристики  среды. 

Кристаллы  SrWO₄:Nd³⁺  выращивались  модифицированным  методом  Чохральского.  Подробности  проведения  ростовых  экспериментов  и  спектроскопических  исследований  приведены  в  [1].  В  таблице  1  приведены  характеристики  полученных  монокристаллов. 

Таблица  1. 

Характеристики  монокристаллов  SrWO₄:Nd³⁺

Для  измерения  коэффициента  поглощения  неодима  вдоль  кристаллической  пластины  на  фиксированной  длине  волны,  с  целью  исследования  распределения  активатора  в  объеме  слитка,  использовалась  установка,  представленная  на  рисунке  1.  Параллельный  пучок  света  от  галогеновой  лампы  накаливания  Л,  формируемый  диафрагмой  Д  и  системой  линз  Ф,  проходя  через  исследуемый  образец  монокристаллической  пластины  К,  проецировался  на  входную  щель  монохроматора  МДР-23,  М.  Перемещение  пластины  осуществлялось  с  помощью  подвижки  с  микрометрическим  винтом  МВ,  соединенным  с  шаговым  двигателем  ШД.  Сигнал  кремниевого  фотодиода  ФД  регистрировался  с  помощью  программно-аппаратного  комплекса  ОСЦИГЕН  в  компьютерной  программе,  осуществляющей  управление  шаговым  двигателем  и  запись  сигнала  фотодиода  в  режиме  самописца.  Монохроматор  устанавливался  на  длину  волны  поглощения  одного  из  переходов  Nd³⁺.  Для  исключения  вклада  отражения  от  поверхностей  образца,  на  той  же  длине  волны  регистрировалась  величина  пропускания  номинально  чистого  кристалла,  которая  являлась  поправочным  делителем  при  дальнейших  расчетах.

Рисунок  1.  Схема  установки  для  исследования  распределения  неодима  вдоль  кристаллической  пластины.  Л  —  лампа,  Д  —  диафрагма,  Ф  —  система  линз,  К  —  кристаллический  образец,  МВ  —  микрометрический  винт,  ШД  —  шаговый  двигатель,  М  —  монохроматор,  ФД  —  фотодиод.

На  рисунке  2  показаны  распределения  неодима  вдоль  оси  роста  кристаллов  с  различной  концентрацией  активатора  и  сортом  соактиваторной  примеси,  измеренные  вдоль  пластин,  вырезанных  из  цилиндрической  части  кристаллов,  на  длине  волны  805  нм  (переход  ⁴I_9/2  —  ⁴F_5/2).  Зависимости  относительной  концентрации  от  доли  закристаллизованного  расплава  продемонстрировали  Рэлеевское  распределение,  находясь  в  согласии  с  соответствующим  выражением:

,                                               (1)

где:  С  —  концентрация  примеси  в  твердой  фазе  в  зависимости  от  доли  g  закристаллизованного  вещества, 

K_eff    —  эффективный  коэффициент  распределения  примеси, 

С₀  —  начальная  концентрация  примеси. 

Из  рисунка  видно,  что  для  концентраций  NdNbO₄  1  и  2  вес.%  в  расплаве,  коэффициент  распределения  остается  постоянным,  насколько  позволяет  судить  применяемый  подход,  и  в  данных  условиях  кристаллизации  составляет  0,71.  При  этом  замена  соактиваторного  иона  Nb⁵⁺  на  Ta⁵⁺  позволяет  повысить  K_eff  до  величины  0,86.  Коэффициент  распределения  примеси  оказывает  существенное  влияние  на  оптическую  однородность  растущего  кристалла.  Так,  из  рисунка  2  видно,  что  при  увеличении  K_eff  снижаются  колебания  концентрации  активатора  вдоль  кристаллического  слитка  (уменьшается  величина  локальных  отклонений  от  аппроксимирующих  линий),  а,  кроме  того,  снижается  эффект  накопления  примеси  в  расплаве,  уменьшая  разброс  концентрации  в  начале  и  конце  кристалла.  С  учетом  полученных  значений  K_eff,  рассчитанные  начальные  концентрации  неодима  в  кристаллах  приведены  в  таблице  1.

Рисунок  2.  Экспериментальные  зависимости  относительных  концентраций  Nd³⁺  в  кристалле  SrWO₄  от  доли  закристаллизованного  расплава,  содержащего  исходно  1  вес.  %  NdNbO₄  (+),  2  вес.  %  NdNbO₄  (◦)  и  2  вес.  %  NdTaO₄  (▫).Линии  —  аппроксимация  выражением  (1).  Показаны  максимальные  отклонения  относительной  концентрации  от  аппроксимирующей  линии,  max  Δ(C/C₀),  для  случаев  двух  различных  соактиваторов.

Исследования  данных  кристаллов,  проведенные  в  рамках  теории  Джадда-Офельта  [2,  3],  показали,  что  спектрально-люминесцентные  свойства  образцов  слабо  зависят  от  условий  легирования.  В  таблице  2  приведены  полученные  параметры  Джадда-Офельта  и  сечения  люминесценции,  рассчитанные  по  формуле  Фухтбауэра-Ладенбурга  в  максимумах  полос  важнейших  лазерных  переходов  неодима  исследованных  кристаллов.

Таблица  2.

Параметры  интенсивности  Джадда-Офельта  (Ω₂,  Ω₄,  Ω₆)  и  сечения  люминесценции  (σ_em)  монокристаллов  SrWO₄:Nd³⁺.

Работа  является  частью  комплексных  исследований,  проводимых  при  финансовой  поддержке  проекта  РФФИ  №  12-02-31014  «Выращивание  и  исследование  монокристаллов  твердых  растворов  со  структурой  шеелита  как  новых  нелинейных  сред  для  генерации  и  преобразования  лазерного  излучения».

Список  литературы:

1. Исаев  В.А.,  Игнатьев  Б.В.,  Лебедев  А.В.,  Плаутский  П.Г.,  Аванесов  С.А.  Особенности  выращивания  номинально  чистых  и  легированных  неодимом  монокристаллов  вольфрамата  стронция  //  Политематический  сетевой  электронный  научный  журнал  КубГАУ.  —  2012.  —  №  79.  —  С.  57—68.
2. Judd  B.R.  Optical  absorption  intensities  of  rare-earth  ions  //  Phys.  Rev.  —  1962.  —  Vol.  127.  —  P.  750—761.
3. Ofelt  G.S.  Intensities  of  crystal  spectra  of  rare-earth  ions  //  J.  Chem.  Phys.  —  1962.  —  Vol.  37.  —  P.  511—520.
4. Voronina  I.S.,  Ivleva  L.I.,  Basiev  T.T.,  Zverev  P.G.,  Polozkov  N.M..  Active  Raman  media:  SrWO₄:Nd³⁺,  BaWO₄:Nd³⁺.  Growth  and  characterization  //  Journal  of  Optoelectronics  and  Advanced  Materials.  —  2003.  —  Vol.  5.  —  P.  887—892.
5. Zverev  P.G.,  Basiev  T.T.,  Ivleva  L.I.,  Osiko  V.V.,  Polozkov  N.M.,  Voronina  I.S.  Raman  laser  on  strontium  tungstate  crystal  //  OSA  Proc.  TOPS.  —  2002.  —  Vol.  68.  —  P.  70—73.